基于NB-IoT的無(wú)線水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)在水文監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。針對(duì)傳統(tǒng)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的布線困難、功耗高、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等問(wèn)題，提出了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)的無(wú)線水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)融合了嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等技術(shù)，具有可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、系統(tǒng)參數(shù)可配置、通信覆蓋范圍廣、支持海量設(shè)備節(jié)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了水文數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析和應(yīng)用，能夠?yàn)樗谋O(jiān)測(cè)和管理提供有力的數(shù)據(jù)支持，并且在一定程度上可以有效地對(duì)洪澇、干旱等自然災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。

關(guān)鍵詞：NB-IoT；STM32；Modbus；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；水文監(jiān)測(cè)；云平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）05-000-03

0 引 言

水文監(jiān)測(cè)[1-2]是水資源管理和水環(huán)境保護(hù)的重要基礎(chǔ)，對(duì)于防洪減災(zāi)、水資源配置和生態(tài)保護(hù)具有重要意義。傳統(tǒng)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用有線通信方式，存在布線困難、維護(hù)成本高、無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量、無(wú)法準(zhǔn)確分析[3]等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)在水文監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。NB-IoT作為一種新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有低功耗、覆蓋范圍廣、支持大量設(shè)備連接的特點(diǎn)[4]，在多種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下得到了廣泛應(yīng)用，例如城市智慧消防[5]、智能安防[6]、智慧城市[7-9]等場(chǎng)景，因此也適用于水文監(jiān)測(cè)[10]場(chǎng)景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于NB-IoT的無(wú)線水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由水文監(jiān)測(cè)終端、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)四個(gè)部分組成。系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

1.1 水文監(jiān)測(cè)終端

水文監(jiān)測(cè)終端負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集水位、流量、水質(zhì)等水文數(shù)據(jù)。終端采用嵌入式設(shè)計(jì)，內(nèi)置RS 485通信所需的MAX 485收發(fā)芯片。開(kāi)發(fā)板搭載了AT24C02 E2PROM存儲(chǔ)芯片，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)配置信息，能夠有效避免RAM掉電所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題。開(kāi)發(fā)板集成了NB-IoT通信模塊，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心（自研服務(wù)器平臺(tái)/阿里云平臺(tái)）。

1.2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)是一種低功耗的廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWA）。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)支持常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，例如UDP、TCP、HTTP、LWM2M和MQTT等，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最常見(jiàn)的一種商業(yè)通信方式。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方便，無(wú)需自建基站，通信穩(wěn)定可靠，具有覆蓋范圍廣、功耗低、支持大量設(shè)備連接等特點(diǎn)，適用于水文監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景。作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)，NB-IoT通過(guò)運(yùn)營(yíng)商基站實(shí)現(xiàn)了水文監(jiān)測(cè)終端與數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1.3 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)接收、解析和存儲(chǔ)來(lái)自水文監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)，能夠高效地對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并且可以借助不同的大數(shù)據(jù)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)與預(yù)警，為應(yīng)用平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支持。

1.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)

數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)是系統(tǒng)的用戶界面，用戶可通過(guò)平臺(tái)實(shí)時(shí)查看水文數(shù)據(jù)、生成報(bào)表、分析數(shù)據(jù)。平臺(tái)還提供了預(yù)警功能，當(dāng)實(shí)時(shí)水文數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，可以自動(dòng)發(fā)送預(yù)警信息，提前預(yù)警洪澇、干旱等自然災(zāi)害。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件編程、網(wǎng)絡(luò)配置等方面的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集、傳輸和監(jiān)控水文數(shù)據(jù)。

2.1 水文監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

2.1.1 水文監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)的STM32F103C8T6微型處理器[11-13]芯片，該芯片采用LQFP48封裝，配備64 KB的FLASH和20 KB的RAM，CPU主頻最高可達(dá)72 MHz，是一款性價(jià)比較高的中低端32位微型處理器。此外，該芯片內(nèi)置了豐富的外圍通信接口，軟硬件開(kāi)發(fā)周期短且成本較低，適合用于常見(jiàn)的各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。該芯片的性能和接口能夠很好地滿足本次水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求，包括傳感器數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)芯片通信、終端設(shè)備和數(shù)據(jù)中心進(jìn)行實(shí)時(shí)通信等功能。具體硬件設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

傳感器采用工業(yè)級(jí)傳感器，具備高可靠性、高耐用性、低輸出噪聲和高精度輸出等特性。輸出物理接口采用RS 485通信總線，該總線不僅支持遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信，還能實(shí)現(xiàn)一主多從的總線結(jié)構(gòu)，易于傳感器設(shè)備的擴(kuò)展（理論傳感器設(shè)備數(shù)支持32路）。協(xié)議層采用Modbus-RTU協(xié)議。本系統(tǒng)所集成的傳感器包括水位傳感器、流量傳感器、水質(zhì)傳感器（pH值傳感器、氨氮含量傳感器等）。

AT24C02存儲(chǔ)芯片搭載2 KB（即256字節(jié)）的串行E2PROM的存儲(chǔ)空間，可以有效避免設(shè)備終端配置信息在掉電后丟失的問(wèn)題。CPU通過(guò)I2C總線接口與存儲(chǔ)芯片相連進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。

通信模組采用NB-IoT，CPU通過(guò)TTL串口和該模組進(jìn)行通信，通信速率設(shè)定為115 200，從而確保了終端和數(shù)據(jù)中心之間的高效數(shù)據(jù)交換。

2.1.2 水文監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

水文監(jiān)測(cè)終端設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)主要包含：系統(tǒng)參數(shù)配置模塊、傳感器Modbus通信采集模塊、數(shù)據(jù)打包上報(bào)模塊、主程序控制模塊。

系統(tǒng)參數(shù)配置模塊：主要負(fù)責(zé)配置系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，例如Modbus傳感器的從機(jī)地址、寄存器地址和長(zhǎng)度、Modbus傳感器輪詢周期、NB-IoT通信的目標(biāo)IP、端口和通信方式（TCP/UDP/MQTT等）、 NB-IoT數(shù)據(jù)上報(bào)周期等。系統(tǒng)參數(shù)配置模塊通過(guò)I2C通信接口與AT24C02存儲(chǔ)芯片進(jìn)行交互，首先讀取存儲(chǔ)芯片的原始配置信息，解析后進(jìn)行顯示，隨后對(duì)需要修改的信息進(jìn)行重新配置，將新的配置信息寫(xiě)回存儲(chǔ)芯片，以確保設(shè)備重啟不會(huì)丟失配置信息。

傳感器Modbus通信采集模塊：通過(guò)RS 485總線，遵循Modbus-RTU協(xié)議，采用一主多從的總線架構(gòu)，周期性地對(duì)傳感器進(jìn)行輪詢，從而收集配置文件中指定的傳感器數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)打包上報(bào)模塊：負(fù)責(zé)將所有傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包中包含了設(shè)備的固件信息（數(shù)據(jù)中心能夠識(shí)別哪一個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)）、傳感器PID信息（用來(lái)區(qū)分不同傳感器）、傳感器數(shù)據(jù)信息、包頭、包尾、包長(zhǎng)度、包校驗(yàn)等基本信息。數(shù)據(jù)打包完成后通過(guò)NB-IoT模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，NB-IoT模塊通過(guò)監(jiān)測(cè)服務(wù)器回復(fù)信息并判斷通信是否異常，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備斷開(kāi)服務(wù)器，需要進(jìn)行服務(wù)器通信重連，以保證通信的可靠性、數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。

主程序控制模塊：主要對(duì)終端設(shè)備所有需要的外設(shè)（定時(shí)器、串口、I2C、其他外設(shè)等）進(jìn)行初始化，并根據(jù)需要選擇是否進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)配置，配置完成后根據(jù)配置信息進(jìn)行傳感器輪詢并通過(guò)NB-IoT模組將打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。水文監(jiān)測(cè)終端的軟件流程如圖3所示。

2.2 水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)

水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)是為了整合數(shù)據(jù)采集層各設(shè)備的數(shù)據(jù)，其負(fù)責(zé)接收、處理、存儲(chǔ)并分析這些上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)應(yīng)用端的各種監(jiān)控設(shè)備。數(shù)據(jù)中心通過(guò)匯集采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)各種水文數(shù)據(jù)的應(yīng)用和分析，并且具備對(duì)各種水文數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、分析、預(yù)警和管理的功能。

數(shù)據(jù)中心主要整合了數(shù)據(jù)通信協(xié)議（比如：TCP、UDP、HTTP和MQTT等）、高速數(shù)據(jù)緩存（Memcached、Redis等）、數(shù)據(jù)庫(kù)（MongoDB、MySQL等）、數(shù)據(jù)應(yīng)用分析（Hadoop、Spark等）、數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)（Apache、Nginx等）等模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水文數(shù)據(jù)的高效采集、存儲(chǔ)、分析和應(yīng)用。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于NB-IoT的無(wú)線水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件和軟件部分。該系統(tǒng)具有可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、系統(tǒng)參數(shù)可配置、通信覆蓋廣、支持海量設(shè)備節(jié)點(diǎn)等眾多優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水文數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析和應(yīng)用。未來(lái)將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，降低設(shè)備功耗，提高數(shù)據(jù)傳輸效率和穩(wěn)定性，拓展系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景，為水文監(jiān)測(cè)和管理提供更加全面、高效的數(shù)據(jù)支持，有效地對(duì)洪澇、干旱等自然災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。

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